ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

190

3 ЭЛЕМЕНТЫ И КРИСТАЛЛЫ ИМС НА ПОЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ

3.1 Проектирование полевых структур

3.1.1 Введение

Искривление энергетических зон в полупроводниковых материалах на границе раздела с металлами может быть настолько существенным, что их поверхностный слой может обрести запирающие свойства, как это имело место в контактных переходах Шоттки, или даже изменить тип проводимости на противоположный в сравнении с глубинными слоями. Между инверсионным слоем и полупроводниковой пластиной образуется изолирующая обедненная свободными носителями заряда область (p-n- переход). Инверсия типа проводимости поверхностного слоя слаболегированной полупроводниковой пластины положена в основу конструкций полевых приборов. В конструкциях этих приборов предусматриваются два выводных электрода от инверсионного поверхностного слоя, который выполняет функцию проводящего канала. Один из электродов принято называть истоком (И), другой — стоком (С). Для управления проводимостью инверсионного слоя над ним через разделительный диэлектрический слой размещается проводящий электрод, названный затвором (З), на который относительно инверсионного слоя (или относительно несущей полупроводниковой пластины) подается управляющее напряжение. Трехэлектродный электронный прибор с управляемой проводимостью инверсионного слоя назван полевым транзистором со структурой «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-транзистор). Реализация такого прибора стала возможной к началу 60-х годов 20-го века в результате технологических достижений по воспроизводимости и стабилизации поверхностных состояний полупроводников и диэлектриков. С конца 20-го века МДП-приборы, благодаря совокупности весьма позитивных функциональных, конструктивных, технологических показателей, являются основными приборами электронных устройств высокой степени интеграции.

191

3.1.2 Структуры и классификация МДП-транзисторов

Таким образом, принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком и стоком, внешним поперечным электрическим полем в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой). Тип проводимости канала совпадает с типом проводимости областей истока и стока, но противоположен типу проводимости подложки. Сток, исток и канал образуют с подложкой р-n-переход.

По типу проводимости канала различают п-канальные (см. рис. 3.1 а, в) и р-канальные (см. рис. 3.1, б, г) МДП-транзис-торы.

По конструктивно-технологическому исполнению канала МДП-транзисторы подразделяются на транзисторы со встроен-

ным (см. рис. 3.1, а, б) и с индуцированным каналами (см. рис. 3.1 в,

г). Встроенный канал создается на этапе производства транзистора. Индуцированный канал образуется благодаря внешнему напряжению, подключаемому на затвор относительно истока, стока, подложки.

Рисунок 3.1

192

Создавая электрическое поле в структуре металл — диэлектрик — полупроводник, можно управлять электропроводностью канала и соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Электропроводность встроенного канала (рис. 3.1, а, б) в зависимости от величины и полярности напряжения на затворе может уменьшаться или повышаться, соответствуя обеднению или обогащению канала основными носителями заряда.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 3.1, в, г) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. При подключении к областям исток — сток питания ток носителей от истока к стоку будет ничтожно мал и транзистор будет закрыт. Структура затвор — диэлектрик — полупроводник подобна конденсаторной структуре, свойства полупроводниковой обкладки которой зависят от приложенного напряжения. Под действием внешнего напряжения на затворе в тонком приповерхностном слое проводника создается электрическое поле с напряженностью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорциональной толщине диэлектрика. Под действием этого поля, в зависимости от полярности приложенного напряжения, вследствие относительно низкой концентрации свободных носителей заряда, неосновные носители заряда подложки будут подтягиваться к границе раздела полупроводника с диэлектриком, а основные — оттесняться в глубину подложки. Тем самым изменяется концентрация неосновных для подложки носителей в тонком приповерхностном слое (4…5 нм) полупроводника между областями исток — сток. По мере повышения модуля внешнего напряжения на затворе относительно подложки (или истока) вначале образуется слой, обедненный основными носителями, а затем, по мере роста напряжения на затворе, происходит образование инверсионного по типу проводимости относительно подложки слоя. При некотором напряжении на затворе, именуемом пороговым (Uo), между истоком и стоком образуется проводящая область (индуцированный канал) с относительно невысоким сопротивлением. В транзисторах с индуцированным каналом реализуется режим обогащения канала.

Для формирования индуцированного n-канала (р-подложка) необходимо подавать на затвор положительное напряжение, а для р-канала (n-подложка) — отрицательное.

193

Так как входной управляющий ток (в цепи затвора) ничтожно мал по сравнению с током в цепи исток — сток, МДП-

транзистор является эффективным усилительным прибором, по-

зволяющим незначительной мощностью сигнала модуляции электропроводности канала регулировать существенно более высокую мощность в цепи канала.

Электрическое сопротивление канала зависит от его длины Lк и ширины Bк, концентрации N, подвижности μ носителей и

вкотором произведение N hк модулируется напряжением на затворе. Эффективность модуляции проводимости канала количественно определяется долей напряжения, приложенного к поверхностному слою полупроводника, из общего напряжения, приложенного к затвору. Эта доля обратно пропорциональна толщине диэлектрика hд и прямо пропорциональна, диэлектрической проницаемости диэлектрика εд.

Исток и сток МДП-транзистора (при симметричных формах электродов) обратимы, и в схемных включениях их можно менять местами.

Вполевых структурах недопустимо образование не плани-

руемых индуцированных или встроенных каналов. Однако в про-

цессе формировании пленки окисла SiO2 на границе ее раздела с кремнием образуется положительный электрический заряд в окисле. Этот заряд получил название встроенного и образуется независимо от типа проводимости подложки. Расположение такого заряда над полупроводником р-типа проводимости приводит к увеличению в его приповерхностном слое числа электронов и уменьшению концентрации дырок. При значительной величине встроенного заряда и малой концентрации акцепторной примеси

вполупроводнике это приводит к самопроизвольному образованию вблизи границы окисел — полупроводник n-канала, индуцированного встроенным зарядом. Это явление долгое время препятствовало созданию эффективной технологии производства микросхем на n-канальных МДП-транзисторах. В р-канальных структурах встроенный заряд окисла вызывает обогащение поверхности полупроводника электронами и повышает отрицатель-

194

ное напряжение на затворе, необходимое для формирования канала р-типа. Вследствие этого первые МДП-микросхемы были созданы на р-канальных транзисторах c повышенным напряжением формирования индуцированного канала (несмотря на их сравнительно небольшое быстродействие, вследствие низкой, в 2–3 раза меньше подвижности электронов, подвижности дырок в кремнии).

Иными признаками классификации МДП-транзисторов являются:

–материал затвора (алюминий, молибден, поликремний);

–материалдиэлектриказатвора(однородный, многослойный);

–число затворов (один, более одного);

–по функциональному назначению в схемном применении (активные переключающие и нагрузочные).

Нагрузочные МДП-транзисторы используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометрических размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины).

По сочетанию МДП-транзисторов с подобными себе и другими элементами на кристаллах микросхем классифицируются конструкции и технологии кристаллов:

–одноканальныеструктуры (n-или р-канальная технологии);

–комплементарные (взаимодополняющие) структуры (КМДПтехнология), сформированные в одном кристалле, р- и n- канальные МДП-транзисторы;

–МДП и биполярные структуры (БИМДП-технология);

–МДП с зарядовой связью между приборами (ПЗСтехнологии).

3.1.3Вольтамперные характеристики МДП-транзистров

Два семейства вольтамперных характеристик МДП-тран- зисторов с индуцированным каналом изображены на рисунке 3.2. Семейство стоковых характеристик Ic = Ic (Uc) при Uз = const изображено на рисунке 3.2, б, и семейство стоко-затворных характеристик Ic = Ic (Uз) при Uc = const изображено на рисунке 3.2, в.

196

При положительном потенциале стока (Uс > 0) по каналу от стока к истоку течет ток. Канал и объемный заряд в подложке в этом случае имеют переменное сечение (рис. 3.3, в). У области стока толщина канала минимальна и максимальна толщина слоя объемного заряда. Это обусловлено изменением разности потенциалов затвор — канал и канал — подложка по длине канала. При разности потенциалов в канале вблизи стоковой области, равной Uз – Uc = Uo, происходит перекрытие канала у стока областью объемного заряда (рис. 3.3, г). Перед перекрытием канала (Uз – Uс ≤ Uо) ток достигает максимального уровня (вход в пологую область характеристики). Границу насыщения на стоковой характеристике характеризуют напряжением насыщения Uснас

(рис. 3.2, б):

Uснас = Uз – Uo.

На крутом участке (Uс < Uснас) стоковая характеристика

В реальном приборе повышение напряжения на стоке приводит к повышению тока стока. Причиной тому является ряд факторов, среди которых: зависимость подвижности носителей от напряжения, влияние термоэлектронной и ударной ионизации. В конечном итоге пологая область стоковых характеристик переходит в предпробойную область. Напряжение пробоя определяется меньшей из двух величин:

–напряжением пробоя подзатворного диэлектрика;

–напряжением пробоя перехода перехода сток — подлож-

ка.

Семейство стоко-затворных характеристик МДП-транзис- тора при Uc < Uснас как для индуцированного, так и для встроенного канала при напряжениях Uc > Uснас вырождается в одну характеристику.

197

3.1.4Параметры МДП-транзистора и расчетные соотношения

Обобщенной формой представления функциональных свойств МДП-транзисторов являются их параметры. Для применения транзисторов в цифровых устройствах определяющими являются:

–рабочие напряжения затвора Uз и стока, Uc;

–рабочий ток стока, Ic;

–крутизна, S;

–сопротивление канала на крутом участке ВАХ, Rк;

–пороговое напряжение, U0;

–время переключения, tпер.

Рабочие напряжения для МДП-транзистора при известной критической напряженности электрического поля ограничивают верхний предел легирования подложки и допустимую толщину подзатворного диэлектрика. Рабочее напряжение затворной цепи при выбранном материале и толщине подзатворного диэлектрика определяется из формулы (2.15) с коэффициентом запаса по пробою 1,5–2. Аналогично рабочее напряжение стоковой цепи определяется из формул (2.17) — (2.18) с тем же коэффициентом запаса по пробою.

Рабочий ток стока согласно выражению (3.3), с одной стороны, определяется параметрами материалов и выбранными размерами, а с другой стороны, должен удовлетворять эксплуатационным требованиям. Из эксплуатационных требований выбирается наиболее значимое из двух:

–по остаточному напряжению на открытом транзисторе U0

Ic Rк ≤ U0доп;

–по мощности рассеяния

Ic (Uc1–Uc0)/4 Q ≤ Pдоп,

где Q — скважность процесса переключения;

Pдоп — допустимая мощность рассеяния (в расчете на один вентиль).

Для микроамперного диапазона токов стока приведенные ограничения могут быть слабыми, и определяющими будут тех-

198

нологические ограничения по воспроизведению форм и размеров транзистора.

Крутизна ВАХ транзистора S характеризует усилительные свойства в соответствии со следующей формой определения

S1 = dIc/dUз = [μ Cзо Bк Uc/Lк], (3.5) при Uз > Uo и 0<Uc = const < Ucнас = (Uз–Uo) и

S2 = dIc/dUз = [μ Cзо Bк/Lк)] (Uз–Uo) = So (Uз–Uo) (3.6)

при Uз > Uo и Uc = const > Ucнас. Крутизна ВАХ определяется параметрами подзатворного диэлектрика через удельную емкость Сзо и пороговое напряжение Uo. В связи с ограничением верхнего значения Uз по критерию электрической прочности для повышения усиления (повышения крутизны S) необходимо снижать значение Uo транзистора. Нижняя граница значений Uo определяется требуемым запасом статической помехозащищенности ∆U = (Uo–U0) ≥ (0,3–0,5) В. Поэтому в микромощных вентилях целесообразно обеспечиватьпороговые напряжения (0,3≤ Uo≤1,5)B.

Сопротивление канала открытого транзистора Rк определяется как дифференциальный параметр следующего вида

Rк = 1/(dIc/dUc) = [So (Uз – Uo) (1– Uc/Ucнас)]–1

в области Uс < Ucнас при Uз = const. Дифференциальное сопротивление канала минимально при (Uc/Ucнас)→ 0 и максимально при (Uc/Ucнас)→ 1. На пологом участке ВАХ дифференциальное сопротивление канала обычно оценивается по результатам обработки экспериментальных стоковых ВАХ с применением экстраполяции следующего вида

R/к = ∆Uc/∆Ic,

где ∆Uc, ∆Ic — соответствующие взаимные приращения напряжения и тока стока, снятые по стоковой ВАХ при Uз = Uз1=const.

Для снижения сопротивления канала при прочих равных условиях необходимо понижать пороговое напряжение.

Пороговым напряжением Uо для цифровых вентилей определяются допустимые уровни напряжений U0/1, энергопотребление и запасы помехозащищенности по переключению. Пороговое напряжение определяется по выражениям следующего вида:

для подложки n-типа (канал р-типа)

В формулах (3.7), (3.8) приняты обозначения:

Fмп — контактная разность потенциалов материала затвора и полупроводниковой пластины до образования индуцированного канала, определяемая по формуле

Fмп = Fм – Fсп – Fз/2 ± Fф,

в которой Fм, Fсп, Fз — есть работа выхода электронов из материала затвора, потенциал сродства к электрону и ширина запрещенной зоны материала подложки;

Fф = Ft Ln (N/ni) эВ — потенциал смещения уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны (электрохимический потенциал легированной подложки) в расчёте Fмп применить со знаком «+»для подложки n-типа и знаком минус - для р-типа;

Qs [Кл/см2]— плотность положительного встроенного поверхностного заряда на границе раздела диэлектрикполупроводник (для кремниевой подложки на границе с диэлектриком SiO2 встроенный заряд положительный с числовыми значениями для рабочих кристаллографических плоскостей : <111> Qs= 8·10-8 , <110> Qs= 3·10-8 , <100> Qs= 1,5·10-8 );

Qп = 2√(q ε п N Fф) [Кл/см2]— плотность пространственного заряда в изолирующем канал переходе.

Работа выхода электронов из ряда чистых материалов приведена в разделе, посвященном контактам Шоттки. Энергия сродства к электрону кремния в разных источниках отличается, но находится в диапазоне (4,1– 4,2) эВ некоторых. С целью обеспечения совместимости материалов затвора с подложкой в качестве проводящего слоя затвора применяется поликристаллический кремний с регулируемым в процессе производства уровнем легирования. Для транзисторов с каналом р-типа в качестве затворного проводника применяется р-поликремний, что позволяет получить Fмп = 0,55+Fф и, соответственно, для n-канальной структуры с поликремниевым n-затвором параметр Fмп = –0,55 – Fф.

Для улучшения электрических характеристик интегральных микросхем на МДП-транзисторах, в первую очередь для повышения их быстродействия, необходимо снижать пороговые напряжения МДП-транзисторов и увеличивать удельную крутизну